在后摩尔时代，传统硅基半导体逐渐接近物理缩放极限，寻找高速、低功耗的下一代电子器件已成为前沿研究的核心。二维半导体凭借原子级厚度与卓越的静电控制能力，为纳米电子与神经形态系统开辟了新途径。其中氧硒化铋（Bi₂O₂Se）结合了高载流子迁移率与优异的环境稳定性，其晶体由带正电的Bi₂O₂层与带负电的Se层交替堆叠而成。这种独特的层状各向异性结构，使其在面内和面外展现出截然不同的电子传输与阻变特性，在神经形态计算和高密度存储器领域展现出广阔的应用前景。

然而该领域目前仍面临着微观机理难以在原子尺度被准确揭示的严峻挑战。离子迁移是驱动阻变特性的关键过程，但晶体各向异性如何调控离子迁移路径、能垒及相变机制尚不明确。由于离子迁移通常发生在纳米甚至亚纳米区域，且过程高度瞬态与局域化，同时伴随着复杂的缺陷重构和中间相演化，这对表征技术的时空分辨率提出了极高要求。如何在原位偏压下实现原子精度的实时成像与电学测量，从而揭示各向异性离子迁移的本质，是当前制约方向工程化二维阻变器件理性设计的关键瓶颈。

针对上述问题，由华东师范大学、北京大学等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，团队通过将原位电学偏压与球差校正透射电镜实时成像相结合并辅以第一性原理计算，首次在原子尺度揭示了二维Bi₂O₂Se纳米器件中各向异性离子迁移驱动阻变与相变的微观机制，为方向工程化二维神经形态器件与高密度存储器的理性设计奠定了坚实基础。

在器件制备与原位观测架构构建方面，研究团队利用聚焦离子束微纳加工技术，精准制备出具有特定晶体取向的垂直（面外）与平面（面内）Bi₂O₂Se纳米器件，构建了方向明确的各向异性电学测试模型。为了在原子尺度实时捕捉器件在电场激励下的动态演化，研究团队采用了泽攸科技的透射电镜原位样品杆，将探针与纳米器件建立稳定的电接触。该原位样品杆在透射电镜内部精准施加直流偏压并实时记录电流-电压特性，同步实现了高分辨率的透射电镜成像与电信号动态监测。泽攸科技原位样品杆的稳定施压与高灵敏电学测量能力，成功将宏观电学特性的突变或连续调制与微观原子结构的实时相变建立了直接的因果联系。

图1 面外与面内电场下Bi₂O₂Se纳米器件的原子结构、原位透射电镜设置及电学表征

图2 15nm面外器件阻变过程中Bi₂O₂Se纳米器件的结构演化与原子尺度表征

在垂直方向（面外）电场作用下，研究团队揭示了陡峭阈值阻变特性的微观机制及其局域化相变过程。当向垂直Bi₂O₂Se器件施加正向偏压时，氧离子与硒离子在电场驱动下向上迁移，在界面附近形成有序的缺陷相D-Bi₂O₂Se。高分辨成像与原子强度分析表明，硒离子占据了氧空位位点，构建出可逆的导电通道；当施加反向偏压时，硒离子返回原位，使得缺陷相逐渐消退并恢复为原始晶体结构。在较厚器件中，阴离子迁移引起的相变还会形成Bi/BiOSe₂/Bi₂O₂Se三相夹层界面，呈现出拉链式的结构重构。这种高度局域化的离子迁移路径赋予了垂直器件高稳定性和陡峭开关比，非常适合用于高密度数字存储。

图3 90nmBi₂O₂Se纳米器件中面外电场驱动相变的原位透射电镜观察与原子尺度机制

图4 原位透射电镜观察到的Bi/Bi₂O₂Se异质结构中面内电场驱动的相变

在平面方向（面内）电场作用下，研究团队阐明了电导连续调制特性的微观机理及其拓扑定向相变序列。施加平面偏压时，由于氧离子的面内迁移能垒显著低于硒离子，氧离子率先被快速提取并形成氧空位，随后触发了沿着电场方向的长程硒离子与氧离子扩散。随着电场持续作用，材料沿面内方向演化出Bi/Bi₄₊₂ₙSe₃/Bi₂O₂Se多相异质结，其中Bi₄₊₂ₙSe₃相（n=0, 1, 2）通过不同数量铋层的周期性插入，建立了连续变化的硒浓度梯度。这种渐进式的拓扑定向相变避免了电流的剧烈突变，实现了电导的连续线性调节，使平面器件具备了模拟人工突触权重更新的理想特性，适用于神经形态计算。

图5 撤去面内电场后界面构型的结构表征

结合第一性原理计算与原位透射电镜观测结果，研究团队进一步从物理本质上总结了晶体各向异性调控离子迁移能垒及阻变模式的通用规律。密度泛函理论计算显示，由于层间静电锁定与空间位阻效应，氧离子和硒离子的面外迁移能垒分别高达3.295 eV与3.432 eV，而面内迁移能垒则分别降低至0.945 eV与1.524 eV。高面外能垒迫使阴离子只能沿着局域垂直通道协同迁移，形成可逆的D-Bi₂O₂Se相，决定了器件陡峭的数字开关行为；低面内能垒与显著的离子能垒差则促成了氧离子的优先剥离及长程拓扑相变，决定了器件连续的模拟突触行为。这一研究揭示了取向依赖的离子迁移与相变规律，为基于二维各向异性半导体理性设计多功能神经形态系统和高密度存储架构提供了坚实的物理基础。

图6 面外与面内电场下离子迁移路径及相变机制的第一性原理

计算泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM样品杆产品：

JEOL兼容原位探针杆